UNIVERSIDAD DE COSTA RICAESCUELA DE QUÍMICALABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL I QU-0213

“Disolventes”

Resumen: La práctica realizada esta semana se enfocó en realizar distintas pruebas

cualitativas con distintos compuestos para determinar las propiedades de las disoluciones,

según las diferencias en polaridad, solubilidad y habilidad donante de los mismos. La

observación fue primordial para distinguir, por ejemplo, la miscibilidad de los patrones

escogidos en agua y en hexano, también, también la solubilidad de los patrones de glucosa,

parafina, yoduro de sodio y acetanilida, en los disolventes previamente escogido s. Se

analizó la habilidad donante de los compuestos con yodo según el color que reflejaba la

disolución de cada pareja. Todo esto, para que al final se lograra recopilar la suficiente

información para determinar con qué compuesto se trabajó como incógnita según su

comportamiento como disolvente y soluto en las distintas pruebas realizadas, junto a las

propiedades físicas de este: punto de ebullición e índice de refracción.

Introducción:

Las propiedades físicas de una sustancia, pueden ser de mucha ayuda cuando se

quiere saber la identidad de esa sustancia, propiedades como el punto de ebullición, el

índice de refracción, y la densidad son relativamente fáciles de medir. El índice de

refracción es el cambio de velocidad que se da cuando la luz pasa por una sustancia, por

ejemplo el cambio que se da al meter una cuchara en un vaso con agua, en el agua se ve una

posición de la cuchara y en el aire otra (Zubrick, 1992).

Un disolvente es aquella sustancia en fase líquida que puede consistir de una o

más sustancias en diferentes proporciones. Por lo general se distingue como soluto aquella

sustancia que está en menor proporción en comparación al que está en mayor proporción, el

que se conoce como solvente. (Reichardt, 2011)

Una de las principales características para la clasificación de los disolventes es su

polaridad, a pesar de ser un concepto muy complejo de definir, ya que depende de muchos

factores podemos decir que la polaridad se puede visualizar y entender más fácilmente en

las moléculas que tienen átomos más electronegativos que otros, como por ejemplo cuando

tenemos una molécula de H2O sabemos que el O2 es más electronegativo que cada uno de

los H, esto provocará que el átomo central o sea el O2 atraiga electrones de ambos H,

haciendo que su densidad electrónica sea mayor. Esto provocará que el átomo sea

parcialmente negativo y ambos H sean parcialmente positivos, cuando obtenemos casos

como este en donde el compartir electrones no es exactamente equitativo en cuanto a

densidad electrónica y cargas parciales podemos decir que tenemos una molécula con

carácter polar (Thornton, R, 1998)

Una segunda característica de los disolventes es su proticidad, la cual significa

habilidad de poder formar puentes de hidrógeno, aquellos que tienen esta cualidad se les

conoce como próticos mientras que aquellos que no la tiene se les conoce como apróticos

(Pihko, P., 2009)

Como tercera característica tenemos la clasificación de disolventes como

donadores o no donadores, esto se explica más fácilmente con los ácidos y bases de Lewis,

un disolvente donador tiene al menos un par de electrones no compartidos, de manera que

se comporta como la base de Lewis donando electrones al ácido de Lewis en donde por lo

general son compuestos de carga positiva como cationes, carbocationes o inclusive

orbitales vacíos. (Brown, W.; 2011)

Para esta práctica de laboratorio se destinó alcanzar los siguientes objetivos:

i. Aprender la clasificación de los disolventes con el fin de conocer sus propiedades y

aplicaciones

ii. Comparar los disolventes de acuerdo a sus grupos funcionales y propiedades físicas y

químicas.

iii. Determinar cuál disolvente es más apropiado para las técnicas a utilizar de

purificación o de extracción

iv. Aprender a purificar disolventes comunes

Parte experimental:

El primer cambio que se realizó fue en el orden del procedimiento presentado por el

manual: la medición de las propiedades físicas- de índice de refracción y punto de

ebullición- se obtuvieran de primero. Para esta sección se utilizó el método “mini” para

determinar el punto de ebullición de una sustancia, método aprendido anteriormente en el

laboratorio de propiedades físicas, junto a la medición de índice de refacción en el

refractómetro.

Seguidamente se estudió la miscibilidad de la incógnita entregada y cuatro

patrones, escogidos de manera que fuera uno de cada tipo de disolvente estudiado, en dos

disolventes: agua y hexano (por cuestiones de tiempo, solo se realizaron las pruebas con

estos dos compuestos y no con cuatro, como se tenía previsto). Los patrones escogidos

fueron:

A. Patrón Polar-prótico: etanol

B. Patrón Polar-aprótico: acetona

C. Patrón No polar-prótico: t-butanol

D. Patrón No polar-aprótico: cloroformo

El método para analizar la miscibilidad de cada uno en cada disolvente fue basado

en la observación: agregar en 10 tubos de ensayos, dos por cada patrón (incluyendo

incógnita) y agregar en 5 agua y en los restantes hexano, y a partir de ahí fue “calibrar” la

mezcla, hasta obtener una óptima visualización de si se mezclaban o no los compuestos, es

decir, si había o no, separación de fases.

En la sección destinada a estudiar la polaridad se decidió, por cuestiones de tiempo y

eficiencia, trabajar con los compañeros de mesa, los cuales, poseían una distinta escogencia

en los patrones y para poder obtener datos correlacionados se tomó el conjunto escogido de

la pareja para esta y la siguiente parte de la práctica. Los patrones, entonces, son los

siguientes:

A. Patrón Polar-prótico: etanol

B. Patrón Polar-aprótico: acetona

C. Patrón No polar-prótico: t-butanol

D. Patrón No polar-aprótico: éter etílico

La única variación en la escogencia, fue en el patrón no polar-aprótico, de cloroformo

a éter etílico. Para clasificar los patrones según su polaridad, se siguió un procedimiento

similar al de miscibilidad, sin embargo, en esta sección, los patrones son los disolventes y

los solutos son los compuestos patrones fijos: la parafina, la acetanilida, la glucosa y el

yoduro de sodio. Entonces, con puntas de espátula se agregaron los cuatro patrones fijos en

20 tubos de ensayo, 5 tubos por compuesto, y en cada uno se agregaron de 10 a 15 gotas de

cada patrón (disolvente), y a partir de ese punto, fue clasificar cada pareja en cada tubo de

ensayo según la solubilidad aparente observada.

La última propiedad a determinar fue la habilidad donante de cada patrón según la

mezcla de cada uno de ellos con un cristalito de yodo en un tubo de ensayo, obteniendo

distintos colores en la disolución que reflejaron la habilidad donante de cada patrón

escogido

Resultados:

Cuadro I. Determinación de las propiedades físicas de la incógnita

Propiedad física Valor

Punto de ebullición ºC 55

Índice de refracción 1.446/ T=21 ºC

Densidad relativa Soluble en agua

Cuadro II. Estudio de la miscibilidad de la incógnita y los patrones escogidos en agua y

hexano

Agua Hexano

Incógnita 14 Poco miscible No miscible

Etanol Miscible No miscible

Acetona Miscible Muy poco miscible

Cloroformo Poco miscible No miscible

T-butanol Ligeramente miscible No miscible

Cuadro III. Determinación de la polaridad según el grado de solubilidad en distintos

compuestos patrón

Acetanilida Glucosa Parafina NaI

Incógnita 14-23 Poco soluble Insoluble Poco soluble Soluble

Etanol Muy soluble Insoluble Insoluble Soluble

Acetona Muy soluble Insoluble Insoluble Soluble

Ter-butanol Insoluble Poco soluble Poco soluble Soluble

Éter-Etílico insoluble Insoluble Insoluble Soluble

Cuadro IV. Determinación de la habilidad donante según el efecto de los patrones en

disolución con yodo

Color disolución Habilidad donante

Incógnita 14-23 Fucsia-rosado No donador

Etanol Amarrillo claro No donador

Acetona Café-rojo Donador

Ter-butanol Naranja No donador

Éter-etílico Rojo-café Donador

Discusión:

En la primera parte se escogieron: acetona, etanol, cloroformo y t- butanol para

comparar la miscibilidad en agua y en hexano, junto a la incógnita. Al estudiar el

comportamiento de estos compuestos, según el cuadro II, la incógnita no es completamente

miscible en agua, al igual que los patrones polar/prótico, no polar/aprótico y no

polar/prótico, y con hexano, todos los patrones incluyendo la incógnita no fueron miscibles.

Con respecto a la miscibilidad; siempre se ha escuchado que “igual disuelve igual”, lo

que en realidad dice esto, es que las sustancias polares pueden mezclarse fácilmente con

sustancias también polares, y que sustancias no polares se mezclan con sustancias no

polares. Esto ocurre básicamente porque un compuesto polar como el agua tiene cargas

parciales que pueden interactuar con las cargas parciales de otro compuesto también polar.

(Bruice, P. 2006). Por lo citado anteriormente es claro que si se habla de la incógnita, esta

posee carácter no polar, ya que es no miscible en agua al igual que otros disolventes no

polares como el cloroformo y ter-butanol.

Figura 2. Compuestos utilizados en la determinación de polaridad; en orden de izquierda a derecha: parafina, acetanilida, glucosa, yoduro de sodio

Figura 1. Compuestos utilizados en la determinación de la miscibilidad, en orden de izquierda a derecha: etanol, cloroformo, acetona, hexano, agua y t-butanol

Con referencia a la polaridad se cuenta con la información presente en el cuadro III;

donde se utiliza la incógnita y los patrones previamente escogidos como disolventes, para

determinar la solubilidad de la parafina, yoduro de sodio, acetanilida y glucosa (figura 2)

Los resultados obtenidos en este punto son de suma importancia para reforzar el concepto

de polaridad de nuestro disolvente incógnita.

De acuerdo a las estructuras de la figura 2. Se observa que los compuestos de ioduro

de sodio (NaI) y glucosa para que sean disueltos necesitan que el disolvente sea polar y

sean posibles las interacciones ion-dipolo y dipolo-dipolo respectivamente; esto porque la

glucosa tiene muchos grupos hidroxilo que son polares y el NaI requiere del disolvente

polar para separar y mantener neutralizada la carga del anión y el catión (Bruice, P. 2007)

El comportamiento de la incógnita según lo que se mencionó anteriormente, y según

los resultados mostrados en el cuadro III, se comporta como disolvente no polar, ya que fue

el único en el que la parafina se logró parcialmente disolver.

Con la glucosa no fue nada soluble, esto respalda la hipótesis de que la incógnita

entregada es no polar, pues la glucosa es un compuesto bastante polar que resulta

complicado disolver para un compuesto no polar. Mientras tanto con el yoduro de sodio fue

completamente soluble en el disolvente incógnita, es decir, la incógnita se comporta lo

suficientemente polar para disolver iones en disolución

Recalcar que el caso de la parafina las interacciones son de tipo dispersión de London

y se disuelven en disolventes no polares, para el caso de la acetanilida se tiene una

polaridad intermedia producto de la presencia de un grupo no polar como lo es el anillo de

6 carbonos sp2 y una parte polar como el sector donde se encuentra el átomo de nitrógeno y

oxigeno que por su diferencial electronegativo generan un dipolo (McMurry, J. 2004)

Con respecto a las estructuras citadas en el párrafo anterior y asumiendo la incógnita

como no polar, es decir, si es no polar, se comportó de la manera esperada, pues esta

disolvió parcialmente a la parafina por tratarse de un compuesto completamente no polar,

en el caso de la acetanilida fue ligeramente soluble, esto debido a que como se menciona

en el párrafo anterior esta cuenta con una parte polar y otra que no lo es. Por tanto el

disolvente interactuará con la parte no polar de la acetanilida y esta se disolverá en el

mismo.

Para verificar la presencia de átomos donadores de electrones se utilizaron cristales

de yodo; el yodo como ácido de Lewis acepta electrones de una base de Lewis para formar

un complejo en la cual el color de la disolución varía según la intensidad del enlace dativo

(Morado <rosado <rojo <café) (McMurry, 2004). Así por ejemplo una molécula con un

átomo de oxígeno en su estructura como lo es un alcohol o un grupo carboxilo cambian la

coloración a café-rojiza. Los resultados para la incógnita y los demás disolventes escogidos

se muestran en el cuadro IV.

De acuerdo con la escala citada anteriormente y con referencia a los disolventes

patrón escogidos, se podría determinar que la acetona es el disolvente que presenta el

mayor carácter donante mientras tanto la incógnita es el único compuesto que no posee

carácter donativo, pues según su efecto con yodo, la disolución pintó un color fucsia,

cercano al morado de la escala presentada

Con todos estos resultados analizados, para la incógnita 14-23 se puede decir con

certeza que este se trata de un disolvente no polar/aprótico. Importante decir que no es del

grupo no polar/prótico, pues estos compuestos no logran disolver sales ni compuestos

orgánicos polares.

El punto de ebullición obtenido en el laboratorio para la incógnita, empleando la

técnica mini; fue de 55 ºC, el índice de refracción ya corregido para la temperatura en la

que se realizó el análisis es de 1.46645 (ver anexo 2).

Con lo dicho anteriormente y las características que se acaban de citar se pueden

tener gran variedad de patrones de cuál puede ser nuestro disolvente incógnita dentro del

grupo de los hidrocarburos o los haluros o los éteres, sin embargo, el carácter polar,

donativo y miscible estudiado y analizado nos dice que nuestro compuesto pertenece a los

disolventes halogenados, es decir, puede ser: tetracloruro de carbono, cloroformo,

diclorometano o 1,2-dicloroetano.

El tetracloruro de carbono es un compuesto no polar, insoluble en agua, con un punto

de ebullición de 77.53.0 ºC, ya corregido (ver anexo 1), su índice de refracción n= 1.460; si

bien es cierto como se menciona el tetracloruro de carbono es un disolvente no polar y poco

miscible en agua; las demás características; punto de ebullición e índice de refracción no

son del todo similares al de nuestra incógnita teniendo incluso más de 10 ºC de diferencia

en el punto de ebullición lo que no hace a este un candidato tan fuerte aunque si aceptado.

El cloroformo es un compuesto igualmente no polar, y poco soluble en agua, con un

punto de ebullición de 57,69 ºC, ya corregido (ver anexo 1), con un índice de refracción de

nD20= 1.466. Como se puede claramente observar este es el disolvente que más se aproxima

al disolvente incógnita. Tanto su miscibilidad, polaridad, índice de refracción, punto de

ebullición e incluso habilidad donante son muy semejantes a la de nuestra incógnita: 14-23

Conclusiones:

1. La miscibilidad de los compuestos se basan en la siguiente “regla”: las sustancias

polares pueden mezclarse fácilmente con sustancias también polares, y que

sustancias no polares se mezclan con sustancias no polares.

2. Para que procurar la solubilidad de compuestos polares se necesitan que el

disolvente sea polar y sean posibles las interacciones ion-dipolo y dipolo-dipolo

respectivamente.

3. En la prueba para determinar la habilidad donante de un compuesto, se utiliza el

yodo, para observar el comportamiento y la tendencia de donación de protones y

entonces aquellos que tienen esta cualidad se les conoce como próticos y forman

disoluciones cafés-rojizas, mientras que aquellos que no la tiene se les conoce como

apróticos y forman disoluciones moradas, fucsias.

4. Existen distintos métodos que podemos utilizar para identificar una sustancia, no

solo medir sus propiedades físicas, también sus propiedades como disolvente o

soluto. En este caso, se utiliza métodos de comparación y de clasificación para

agrupar un compuesto desconocido en grupos o familias que poseen propiedades

similares.

5. Según los datos obtenidos, se puede asegurar que la incógnita 14-23 es cloroformo,

pues además de las propiedades físicas muy similares: punto de ebullición de 55ºC

(semejante a los 57 ºC a los que debe ebullir este compuesto) y el índice de

refracción-con un valor de 1.46645 (con arreglo), prácticamente igual al valor

tabulado para el compuesto-; se obtuvo una coloración fucsia de la disolución de

yodo con la incógnita, es decir, el compuesto es aprótico. Además, no logró disolver

la glucosa (compuesto muy polar), pero sí logró disolver parcialmente la parafina

(compuesto muy polar), es decir, es un compuesto no polar y como antes se había

recalcado, aprótico. Adicionando una conclusión más de las que se asegura nuestra

fundamentada predicción, es que este compuesto fue poco miscible en agua,

propiedad que caracteriza a los compuestos no polares halogenados apróticos.

6. Los errores no pueden olvidarse: la manipulación excesiva de reactivos promueve el

aumento en errores que vemos en los datos recopilados, compuestos que deberían

disolverse fácilmente no lo hacen, comportamientos inesperados de mezclas, etc.

Anomalías que se derivan de reactivos posiblemente sucios (impuros). Sobre todo la

concentración en un solo punto del laboratorio de más de 20 personas, produce

desconcentración y muchas otras facultades que impulsaron al error y al desorden

en la realización de la práctica.

Referencias:

Bruise Yurkanis, Paula, Química Orgánica, 5 Edición, Editorial Prentice Hall, 2007. pp 754-755

McMurry, Jonh. Química Orgánica, 6 Edición, International Thomson Editores México D.F., 2004, pp: 817-821.

Pihko, P.M. Hydrogne Bonding in Organic Synthesis 1 ed. John Wiley & Sons, 2009. pp. 1.

Reichardt, C; Welton, T. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry 4° ed. John Wiley & Sons, 2011. pp. 1.

Thornton, R.MM.; Neilson, R.B. Química Orgánica 5 ed. Pearson Education, 1998. pp. 23.

Zubrick, J. The organic chem lab survival manual. 1ra Edición. John Wiley & Sons, Inc. 1992: Estados Unidos. pp. 266-277.

Anexos:

1. Corrección del punto de ebullición mediante la regla de crafts

Regla de Crafts :

P.E x = P.E 760torr – (273,15 + P.E 760torr ) (760 – x) (1)10 000

Donde: X=presión atmosférica en mm/Hg en el sitio de la prueba P.Ex=punto de ebullición en °C del compuesto a x presión

P.EB cloroformo= 61 °C – (273 + 61)°C (760 – 660,8)mmHg = 57.6867 °C (2)10 000

P.EB tetracloruro de carbono = 77 °C – (273 + 77)°C (760 – 660,8)mmHg = 73.5265 °C (3)10 000

P.EB diclorometano = 40°C – (273 + 40)°C (760 – 660,8)mmHg = 36,8936 °C (4)10 000

2. Cálculos correspondientes para la corrección del índice de refracción utilizando la ecuación.

n20=nT+(0.00045×∆T )(5)

n20=1.466+(0.00045×(21−20))=1.46645(5)